LIGO ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
ย้อนกลับไปราวปี 1915 และ 1916 ไอน์สไตน์ทำลายกฎเกณฑ์จักรวาลของเราที่คนรู้จักในขณะนั้นแตกสลาย โดยอ้างว่าอวกาศไม่คงที่เท่าที่ชุมชนวิทยาศาสตร์ถูกชักจูงให้เชื่อ แต่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันกล่าวว่าเรขาคณิตของจักรวาลนั้นโค้งงอและบิดเบี้ยวอยู่ตลอดเวลาโดยพลังงานและสสารที่อยู่รอบข้าง โดยพื้นฐานแล้ว ทฤษฎีนี้เป็นส่วนหนึ่งของรากฐานสำหรับการทำงานของเขา
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งอธิบายว่าแรงดึงดูดโน้มถ่วงระหว่างมวลที่สังเกตได้นั้นเป็นผลมาจากการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศโดยมวลเหล่านี้เอง ปัจจุบัน งานของไอน์สไตน์เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังคงเป็นหนึ่งในเสาหลักสำคัญของข้อมูลในดาราศาสตร์ฟิสิกส์
แม้ว่าเขาจะก้าวหน้าในด้านทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ไอน์สไตน์ยังขาดวิธีการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงอย่างรุนแรงและยังถือว่าแทบจะตรวจไม่พบเลยด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน นักวิจัยจาก Caltech และ MIT ใช้งานเครื่องตรวจจับคู่ LIGO ซึ่งมีความสามารถในการตรวจจับการสั่นสะเทือนขนาดจิ๋วจากคลื่นความโน้มถ่วงที่ส่งผ่าน ย้อนกลับไปในเดือนกันยายน 2558 อุปกรณ์ LIGO ตรวจพบสัญญาณพลังงานมากกว่า 50 เท่า ดาวทุกดวงในจักรวาลรวมกัน (!) และเกินมาตรฐานทางสถิติ "ห้าซิกมา" ความสำคัญ เป็นเวลาห้าเดือนที่ทีมงาน LIGO วิเคราะห์สัญญาณโดย แปลงเป็นเสียง และฟังเสียงหลุมดำขนาดใหญ่สองหลุมชนกัน
วิดีโอแนะนำ
“เราได้ยินมาว่าพวกมันส่งเสียงดังในตอนกลางคืน” ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ของ MIT กล่าว แมทธิว อีแวนส์. “เราได้รับสัญญาณที่มาถึงโลก และเราสามารถส่งสัญญาณไปที่ลำโพงได้ และเราจะได้ยินเสียงหลุมดำส่งเสียง “โห่” มีความเชื่อมโยงภายในอย่างมากกับการสังเกตนี้ คุณกำลังฟังสิ่งเหล่านี้อยู่จริงๆ ซึ่งเมื่อก่อนมันวิเศษมาก”
ร่วมก่อตั้งในปี 1992 โดยนักฟิสิกส์ คิป ธอร์น (ผู้ที่คริสโตเฟอร์ โนแลนเคยปรึกษาอย่างมีชื่อเสียงด้วย) ดวงดาว), โรนัลด์ เดรเวอร์ ของคาลเทคและเอ็มไอที ไรเนอร์ ไวส์การทดลอง LIGO ถูกสร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเท่านั้น ในช่วงแปดปีแรกที่มีอยู่ (พ.ศ. 2545-2553) ไม่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้แม้แต่ลูกเดียว ทำให้การทดลองต้องหยุดชั่วคราวในการติดตั้งเครื่องตรวจจับที่ได้รับการปรับปรุง หลังจากใช้เวลาห้าปี การปรับปรุงใหม่มูลค่า 200 ล้านดอลลาร์ โดยได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) ซึ่งมีค่าใช้จ่ายจริง 620 ล้านดอลลาร์ — โรงงาน LIGO ใหม่และปรับปรุงแล้วได้เริ่มดำเนินการในลิฟวิงสตัน ลุยเซียนา และแฮนฟอร์ด วอชิงตัน
ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับตัวเครื่องมือนั้น แต่ละไซต์ของ LIGO มีอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์รูปตัว L ซึ่งมีความยาวประมาณ 4 กิโลเมตร และใช้แสงเลเซอร์แบบแยกลำแสงที่วิ่งขึ้นและลงแต่ละแขน ขณะที่เลเซอร์เคลื่อนที่ไปตามแขน พวกมันจะเด้งไปมาท่ามกลางชุดกระจกที่วางตำแหน่งอย่างแม่นยำ ขณะเดียวกันก็ติดตามความยาวที่แน่นอนที่มันเคลื่อนที่ระหว่างกระจกแต่ละบาน ในกรณีนี้ หากคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนผ่านอุปกรณ์ ระยะห่างที่เลเซอร์เคลื่อนที่ระหว่างกระจกจะเปลี่ยนไปเล็กน้อยจนแทบจะมองไม่เห็น
“คุณแทบจะจินตนาการได้ราวกับว่าคุณทิ้งก้อนหินลงบนพื้นผิวสระน้ำ แล้วระลอกคลื่นก็หายไป” Nergis Malvalvala ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ Curtis และ Kathleen Marble แห่ง MIT กล่าว “[เป็น] สิ่งที่บิดเบือนกาล-เวลารอบๆ และการบิดเบือนนั้นแพร่กระจายออกไปด้านนอกและมาถึงเราบนโลก หลายร้อยล้านปีต่อมาแสง”
หลังจากทำการจำลองคลื่นด้วยคอมพิวเตอร์ พบว่าพลังงานมาจากวัตถุที่มีมวลประมาณ 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์ ก่อนการชนกันของโลกอื่น วัตถุทั้งสองหมุนวนอยู่ห่างจากกันเพียง 130 ไมล์ ก่อนที่จะรวมเข้าด้วยกันในที่สุด หรือที่เรียกกันว่าชนกัน Bruce Allen สมาชิก LIGO กล่าวไว้ มีเพียงหลุมดำเท่านั้นที่สามารถบรรจุมวลได้มากขนาดนี้ พื้นที่จำกัดและกล่าวเพิ่มเติมอีกว่า “ก่อนที่คุณจะโต้แย้งในหลักการว่ามีหลุมดำอยู่หรือไม่ ตอนนี้คุณทำไม่ได้”
แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ของ LIGO จะสามารถรายงานความรุนแรงของการชนได้ แต่ก็ทำให้เกิดการระเบิดที่มองไม่เห็นซึ่งสามารถสร้าง การระเบิดของระเบิดปรมาณูดูเหมือนเป็นเพียงประกายไฟ โดยใช้เวลามากกว่าห้าเดือนเพื่อให้แน่ใจว่าการอ่านค่าครั้งแรกนั้นอยู่ในนั้น ความจริง จริง ขณะที่คำพูดค่อยๆ ไหลออกมาจากสัญญาณแรงโน้มถ่วงที่ตรวจพบ นักวิทยาศาสตร์ก็ทำงานทั้งกลางวันและกลางคืนเพื่อตรวจสอบว่าเป็นของแท้หรือไม่ ทางเลือกอื่นที่เป็นไปได้บนโต๊ะมีตั้งแต่สัญญาณเท็จของห้องปฏิบัติการ (หรือ "การฉีดยาแบบปกปิด") ไปจนถึงการหลอกลวงเต็มรูปแบบที่มนุษย์สร้างขึ้น ความเป็นไปได้เหล่านี้ถูกตัดออกไปในไม่ช้าหลังจากที่ทีมงานตระหนักว่าไม่ได้ทำการทดสอบการฉีดยาแบบ blind เลย และสัญญาณที่สร้างขึ้นนั้นไม่น่าเป็นไปได้อย่างยิ่ง
“เราคิดว่ามันจะเป็นความท้าทายครั้งใหญ่ในการพิสูจน์ตัวเองและคนอื่นๆ ในช่วงสองสามช่วงแรก สัญญาณที่เราเห็นไม่ใช่แค่ความบังเอิญและเสียงสุ่มเท่านั้น” David ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการของ MIT LIGO กล่าว ช่างทำรองเท้า. “แต่ธรรมชาติใจดีอย่างไม่น่าเชื่อในการส่งสัญญาณให้เราทราบ ซึ่งมีขนาดใหญ่มาก เข้าใจง่ายมาก และสอดคล้องกับทฤษฎีของไอน์สไตน์อย่างงดงามอย่างยิ่ง”
ตอนนี้ทีมงานได้พิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงอย่างมีประสิทธิภาพแล้ว โครงสร้างทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และเอกภพทั้งหมดก็ขอให้มีมุมมองที่แตกต่างออกไป เช่น บันทึกย่อของ Science MagMarc Kamionkowski นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Johns Hopkins ยอมรับว่าการค้นพบนี้เปิดประตูให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในสภาวะสุดขั้ว เช่น ในกรณีที่สนามโน้มถ่วงของวัตถุเป็นสาเหตุเกือบทั้งหมด มวล. MIT ยังยอมรับด้วยว่าสนามโน้มถ่วงที่ตรวจพบโดยอุปกรณ์ LIGO นั้นเป็นเพียงส่วนเล็กของภูเขาน้ำแข็งในแง่ของฟิสิกส์พื้นฐานของจักรวาลของเรา
“นี่เป็นการเปิดพื้นที่ใหม่สำหรับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์” แมทธิว อีแวนส์กล่าวเสริม “เรามักจะมองท้องฟ้าด้วยกล้องโทรทรรศน์และมองหารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสง คลื่นวิทยุ หรือรังสีเอกซ์ ตอนนี้คลื่นความโน้มถ่วงเป็นวิธีใหม่ในการทำความรู้จักจักรวาลรอบตัวเรา”
ในอนาคตข้างหน้า ทีมงาน LIGO ตั้งใจที่จะกลั่นกรองข้อมูลที่รวบรวมระหว่างการดำเนินการสังเกตการณ์ครั้งล่าสุดซึ่งสิ้นสุดเมื่อเดือนที่แล้ว ซึ่งถือเป็นการดำเนินการครั้งแรกโดยใช้เซ็นเซอร์ที่ได้รับการอัพเกรดของอุปกรณ์ ขณะที่ค้นหาสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงอื่นๆ ในข้อมูลที่มีอยู่มากมาย ห้องปฏิบัติการกล่าวว่า กำลังเตรียมที่จะเริ่มบันทึกข้อมูลในเดือนกรกฎาคมนี้ด้วย จากความคิดเห็นของ David Shoemaker พบว่าห้องปฏิบัติการไม่มีความตั้งใจที่จะพักบนลอเรลคลื่นโน้มถ่วง
“ในอีกไม่กี่ปี เมื่อสิ่งนี้เสร็จสิ้น เราควรจะได้เห็นเหตุการณ์จากวัตถุที่หลากหลาย เช่น หลุมดำ ดาวนิวตรอน ซุปเปอร์โนวา รวมถึงสิ่งที่เรายังนึกไม่ถึง ความถี่วันละครั้ง หรือสัปดาห์ละครั้ง ขึ้นอยู่กับว่ามีเซอร์ไพรส์เกิดขึ้นกี่ครั้ง” พูดว่า “นั่นคือความฝันของเรา และจนถึงตอนนี้เราไม่มีเหตุผลที่จะรู้ว่านั่นไม่เป็นความจริง”
ผลสรุปโดยสมบูรณ์ของการค้นพบของทีมที่ตีพิมพ์ใน Physical Review Letters เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ซึ่งอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีที่เครื่องตรวจจับ LIGO ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เป็นการกล่าวน้อยเกินไปที่จะเรียกผลลัพธ์ที่ปฏิวัติวงการ เนื่องจากการค้นพบนี้ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก แม้กระทั่งความเข้าใจพื้นฐานที่สุดเกี่ยวกับจักรวาลของเรา ช่างเป็นช่วงเวลาที่น่าทึ่งอย่างยิ่งในการมีชีวิตอยู่ใช่ไหม?
คำแนะนำของบรรณาธิการ
- หลุมดำทารกส่งเสียงร้องเมื่อพวกมันถือกำเนิด ดังที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้
